DE102019118074A1

DE102019118074A1 - Feldgerät der Automatisierungstechnik und Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes

Info

Publication number: DE102019118074A1
Application number: DE102019118074.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sulzer; Florent Tschambser; Lars Dreher
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst ein elektrisch isolierendes Messrohr zum Führen eines Mediums, Messkomponenten zur Ermittlung einer Prozessvariablen des Mediums und ein Gehäuse aus einem Vergussmaterial, wobei das Messrohr in dessen radialer Richtung durch das Vergussmaterial umhüllt ist, wobei die Messkomponenten ganz oder teilweise in dem Vergussmaterial eingebettet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät weiterhin ein insbesondere zumindest teilweise perforiertes Bleichteil aufweist, welches das Messrohr in dessen radialer Richtung zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil in dem Vergussmaterial eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät der Automatisierungstechnik und ein Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes.
Es sind vielfältige Varianten von Feldgeräten der Automatisierungstechnik bekannt, von denen die meisten Varianten ein Gehäuse zur Stabilisierung und zum Schutz der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten gegenüber der Umgebung aufweisen. Feldgeräte können aufgrund des breiten Einsatzgebietes besonders hohen Temperaturschwankungen unterliegen. Dies führt zu Materialausdehnungen und -schrumpfungen innerhalb des Gehäuses, was zu Fehlmessungen oder zum Ausfall von Elektronikbauteilen führen kann.
Aus der DE102012110665A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein durch zwei miteinander verschweißte Kunststoffformteile geformtes Kunststoffgehäuse aufweist. Eine derartige Konstruktion erlaubt zwar weiterhin den Zugriff auf einzelne Messkomponenten des Durchflussmessgerätes, ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Lagefixierung der einzelnen Anschlusskabel.
Eine Lösung dieser Problematik wird in der DE102014117586A1 offenbart. Das Feldgerät umfasst einen aus einem Metallschaum gefertigten, teilweise mit Kunststoff gefüllten und/oder teilweise vom Kunststoff umgebenen Verbundwerkstoff in Form einer Verschalung. Eine derartige Konstruktion löst zwar die Fixierung durch das Einbetten der Verkabelung in einen Kunststoff, ist jedoch nachteilig in Bezug auf die Materialkosten und des Materialaufwandes, da eine ausreichende Fixierung und Stabilisierung nur durch die Kombination des aus Metallschaum gefertigten Verbundverkstoffes mit dem Kunststoff gewährleistet ist.
Die DE102014105569B3 offenbart ein Feldgerät mit einem zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gefertigten und somit den Messrohrteilabschnitt und mindestens eine weitere daran befestigte Messkomponente passgenau umhüllenden Gehäuse. Diese Lösung ist zwar kostengünstig, da das gesamte Gehäuse nur einen einzelnen Schrumpfschlauch umfasst, der für die Fixierung und Stabilisierung sorgt, jedoch ist nachteilig, dass das Gehäuse nach dem Aufschrumpfen nicht wiederverwertbar ist.
Aus der DE10347878A1 ist ein Feldgerät bekannt, das ein aus einem Vergussmaterial geformtes und aus einem Epoxidharz oder Polyurethan bestehendes Gehäuse aufweist. Zur Aufbringung des Vergussmaterials wird das Messrohr mit einer Vergussform, beispielsweise aus Blech, umhüllt, welche dann mit dem Vergussmaterial gefüllt wird. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird die Vergussform entfernt, wobei diese insbesondere auch wiederverwendbar ist. Dieser Erfindung nachteilig ist, dass die Elektronikbauteile durch die Temperatur des Vergussmaterials beim Vergießen angegriffen werden und dass unerwünschte Lufteinschlüsse in Hinterfüllungen entstehen können. Des Weiteren wird in der DE10347878A1 eine in das Gehäuse mit eingegossene Abschirmungsschicht offenbart, die aus einer Metallfolie oder einem metallischen Gewebe bzw. Geflecht gebildet ist und dazu ausgebildet ist elektromagnetische Störfelder abzuschirmen.
Die DE102004057695B4 lehrt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Polyethylen Rohr das eine umspritzte Metallfolie aufweist, als Diffusionsschutz gegen Schadstoffe.
Es sind Kunststoffrohre, z.B. aus Polyethylen oder Polyamid, bekannt, welche als Messrohre in magnetisch-induktiven Messrohren zum Einsatz kommen können und eine günstige Alternative zu metallischen Rohren bilden. Grundsätzlich ist die Verwendung dieser Kunststoffrohre allerdings begrenzt, da sich diese Rohre bei Änderung des Mediumsdruckes ausdehnen oder zusam m enziehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Feldgerät bereitzustellen, das kostengünstig herstellbar ist und nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Druckschwankungen aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Feldgerät nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung des Feldgerätes nach Anspruch 15.
Das erfindungsgemäße Feldgerät der Automatisierungstechnik umfasst ein elektrisch isolierendes Messrohr zum Führen eines Mediums, Messkomponenten zur Ermittlung einer Prozessvariablen des Mediums, und ein Gehäuse aus einem Vergussmaterial, wobei das Messrohr in dessen radialer Richtung durch das Vergussmaterial umhüllt ist, wobei die Messkomponenten ganz oder teilweise in dem Vergussmaterial eingebettet sind und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät weiterhin ein insbesondere zumindest teilweise perforiertes Bleichteil aufweist, welches das Messrohr in dessen radialer Richtung zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil in dem Vergussmaterial eingebettet ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozess-Automatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotentialmessgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Messkomponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysem essgeräten.
Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch induktive Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte, radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen.
Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere vibronische Grenzstandsmessgeräte, Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte.
Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
Bei Messkomponenten handelt es sich um die für die Ermittlung der Prozessgrößen notwendigen Bauteile. Ein Feldgerät umfasst mindestens eine Messkomponente. Die Messkomponenten eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes umfassen beispielsweise eine magnetfelderzeugende Vorrichtung und Messelektroden mit den dazugehörigen Anschlüssen und Kabeln. Für die Überwachung einer weiteren Prozessgröße, der Füllstand, wird zusätzlich eine Messstoffüberwachungselektrode verwendet. Die Messkomponenten eines Ultraschalldurchflussmessgerätes umfassen mindestens einen Ultraschalltransmitter und einen Ultraschallreceiver.
Ein Vergussmaterial umfasst eine Flüssigkeit, Paste oder Brei, die in einem Urformverfahren, insbesondere bei einem Gieß-Verfahren, in eine vorgefertigte Form gefüllt wird und dort erstarrt. Der somit geformte Körper bildet das Gehäuse des Feldgerätes.
Ein Blech ist ein Walzwerkserzeugnis aus Metall, das als Tafel ausgeliefert wird und dessen Breite und Länge sehr viel größer als dessen Dicke sind. Mittels Bohr-, Fräse-, Press-, Stanz- oder Nibbelverfahren lassen sich Strukturen oder Perforierungen in das Blech einarbeiten. Diese sind nicht zwingend homogen über das Blech verteilt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein Messbereich, in dem die Messspannung abgegriffen wird und Verformungen des Messrohres besonders kritisch sind, keine Perforierungen oder nur Löcher mit geringerer Lochgröße aufweist. Das perforierte Blech wird in einem weiteren Verfahrenschritt zurechtgeschnitten und rundgebogen. Das somit hergestellte Blechteil kann alternativ, jedoch nicht zwingend notwendig zu einem rohrförmigen Körper verschweißt werden.
Das Einbetten des perforierten Blechteils in das Vergussmaterial erfolgt durch das Einlegen des Blechteils in die Gussform des Gehäuses. Beim Einfüllen des Vergussmaterials, verteilt sich dieses in der Gussform. Im fließfähigen Zustand fließt das Vergussmaterial durch die Löcher und füllt das durch das Blechteil und das Messrohr begrenzte Volumen. Nach dem Aushärten erstreckt sich das Vergussmaterial auch in den Löchern des Blechteils. Durch das Einbetten, d.h. das vollkommene Umschließen des perforierten Blechteils mit dem Vergussmaterial, erfolgt eine Kopplung des gegossenen Gehäusekörpers mit dem Blechteil. Mechanische Verformungen des Messrohres, welches in radialer Richtung durch das Gehäuse umschlossen ist, wirken somit nicht ausschließlich auf den Gehäusekörper, sondern werden durch das deutlich steifere Blechteil absorbiert. Dies ermöglicht deutlich weichere Vergussmaterialien für die Herstellung des Gehäusekörpers zu verwenden.
Das Blechteil umfasst auch eine Vielzahl an gestapelten Blechteilen.
Bevorzugte Lochformen sind Rundlöcher, Länglöcher und Reibelöcher. Die Lochform kann rechteckig, quadratisch, hexagonal, octagonal, zylindrisch, angesenkt, zylindrisch konisch oder bizylindrisch ausgebildet sein.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Blechteil koaxial zum Messrohr angebracht, wobei das Blechteil dazu ausgebildet ist, Querschnittsverformungen, insbesondere Ausdehnungen des Messrohres entgegenzuwirken, die durch das Medium verursacht werden.
Weder eine metallische Folie noch ein metallisches Gitter oder Geflecht bieten ausreichenden Widerstand gegen Ausdehnungen des Messrohres. Ursachen für Ausdehnungen sind eine sich ändernde Mediumstemperatur, oder ein erhöhter Druck bzw. Unterdruck im Messrohr, der dazu führt, dass sich das Messrohr in radialer Richtung ausdehnt oder zusammenzieht.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung das Blechteil aus 1.0037 Stahl gefertigt ist, wobei das Blechteil aus einem Elektroblech gefertigt ist, wobei das Blechteil koaxial zum Messrohr angebracht ist, wobei das Blechteil die Messkomponenten zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil dazu ausgebildet ist die eingebetteten Messkomponenten von externen Magnetfeldern abzuschirmen.
Elektroblech bezeichnet im engeren Sinn kaltgewalztes Band aus Eisen-Silizium-Legierungen, darüber hinaus auch die daraus geschnittenen oder gestanzten Blechlamellen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Blechteil durch Abstandshalter vom Messrohr beabstandet, wobei die Abstandshalter aus einem Elastomer gefertigt sind.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Blechteil eine Dicke von mindestens 1 Millimeter, insbesondere von mindestens 2 Millimeter und bevorzugt von mindestens 4 Millimeter auf.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Messrohr ein Kunststoffrohr, insbesondere ein Polyethylen Rohr umfasst.
Für den Trinkwasserbereich herrschen besonders strenge Auflagen, welche eine Vielzahl von Linern nicht erfüllen. Zugleich haben die Liner, welche im Trinkwasserbereich eingesetzt werden, eine begrenzte Temperaturstabilität. Unter anderem sind sie daher für Lebensmittelanwendungen, in welchen auch Wasserdampf zum Desinfizieren, z.B. in einem CIP-Verfahren, eingesetzt wird, nicht oder nur bedingt geeignet.
Es ist bekannt Polyethylen-Auskleidungen in Aufbewahrungsbehältnissen für Trinkwasser einzusetzen. Polyethylene sind als Kunststoffe trinkwasserzugelassen, so dass bei deren Einsatz keine Gefährdung für Mensch, Tier und Umwelt ausgelöst wird (Siehe „Trinkwasser unser höchstes Gut Auskleidungen von Trinkwasserbehältnissen mit Polyethylen" Andreas Kunz, GFW Wasser/Abwasser, Mai 2010, S.72-75).
Die Verwendung eines Messrohres aus einem Polyethylen Rohr besteht im Einsatz in einer Warm- oder Heißwasserleitung oder einer Leitung in welcher Einsatz zumindest zeitweise ein Medium mit einer Temperatur von mehr als 80°C, insbesondere ein Medium mit einer Temperatur zwischen 80°C und 130°C, durchgeleitet wird. Eine Warmwasserleitung sollte ausgelegt sein für Medium mit einer Temperatur bis zu 60°C. Eine Heißwasserleitung ist ausgelegt für eine Mediumstemperatur zwischen bis zu 90°C. Das Durchflussmessgerät eignet sich unter anderem auch für den Dauergebrauch, also einem Gebrauch über mehr als 2 Stunden, für Leitungen die ausgelegt sind für eine Mediumstemperatur von bis zu 130 °C. Hier sind auch CIP-Reinigungen mit Wasserdampf möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Blechteil einen Lochanteil von mindestens 10%, insbesondere von maximal 25% und bevorzugt von 20% auf.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Vergussmaterial ein geschlossenzelliger Schaumstoff.
Schaumstoffe sind künstlich hergestellte Stoffe, die eine Zellstruktur aufweisen. Bei offenzelligem Schaumstoff sind die Zellwände nicht geschlossen, daher können Flüssigkeiten aufgenommen werden. Bei geschlossenzelligem Schaumstoff sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett geschlossen.
Es sind Schaumstoffe aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Polyurethan, Epoxidharz, Silikon und Polyamid bekannt.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kollabiert beim Aushärten nicht, wächst nicht zu schnell und bleibt hinreichend viskos. So kann im Wesentlichen das gesamte Volumen in der Vergussform, insbesondere innerhalb eines integrierten Elektronikgehäuses und der Messkomponenten, mit dem geschlossenzelligen Schaumstoff ausgefüllt und somit Hohlräume vermieden werden.
Durch den Einsatz eines Härtersystems kann ein kontrolliertes und gemächliches Aufsteigen des geschlossenzelligen Schaumstoffes in der Vergussform erfolgen, ohne dass das System kollabiert.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kann bei Raumtemperatur eingebracht werden.
Der geschlossenzellige Schaumstoff kann optional einen oder mehrere Reaktivverdünner aufweisen. Dieser Reaktivverdünner verringert die Viskosität des geschlossenzelligen Schaumstoffes um so ein besseres Anfließen in das Gehäuse und ein besseres Einbetten und Benetzen der Elektronikbauteile und der Gehäusewand zu ermöglichen. Ein Reaktivverdünner ist dabei nicht mit einem Verdünnungsmittel zu verwechseln, da vom Reaktivverdünner zumeist deutlich geringere Mengen benötigt werden, um die Viskosität des geschlossenzelligen Schaumstoffes auf eine gewünschte Zielviskosität herabzusetzen.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Shore-Härte von mindestens 85D, insbesonderen von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 60D (nach ISO 868 (Stand 2018)) auf.
Die Shore-Härte beschreibt den mechanischen Widerstand, den das Vergussmaterial einem mechanischen Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt und hängt nur bedingt von der Festigkeit des Körpers ab. Die Shore-Härte ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN EN ISO 868, DIN ISO 7619-1 und ASTM D2240-00 (Stand 2018) festgelegt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial mindestens eine erste und eine zweite Komponente auf, wobei die erste Komponente ein Epoxidharz ist, wobei die zweite Komponente ein Härter ist, wobei das Vergussmaterial ein Verhältnis der ersten Komponente zur zweiten Komponente von mindestens 100:25, maximal 100:15 und bevorzugt 100:20 aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Vergussmaterial ein Polyurethan.
Bei den für die Herstellung des Gehäuses verwendeten Polyurethanen handelt es sich zumeist um elastomere Kunststoffe, die auf Basis eines unmittelbar vor der Verarbeitung aus reaktiven Komponenten gebildeten, flüssigen Mehrkomponentensystems hergestellt sind, wobei letzteres jeweils nach dem Zusammenmischen in die Vergussform eingebracht und dort innerhalb einer vorgebbaren Reaktionszeit aushärten gelassen wird. Polyurethane werden bekanntlich nach dem Polyadditionsverfahren aus Di- und Poly-Isocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen hergestellt. Als Komponenten können dabei beispielsweise Prepolymere, aufgebaut aus aliphatischen und/oder aromatischen Ether-Gruppen sowie Glycol und Isocyanat-Gruppen dienen, die mit dem zugeführten mehrwertigen Alkohol reagieren können.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der geschlossenzellige Schaum vorwiegend zwei Porengrößen auf, wobei die erste Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₁ umfasst, wobei die zweite Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₂ umfasst, wobei 200 µm ≤ d₁ ≤ 250 µm und 20 µm ≤ d₂ ≤ 50 µm gilt, wobei das Vergussmaterial ein Porenverhältnis der Poren mit der zweiten Porengröße zu den Poren mit der ersten Porengröße von mindestens 70:40, maximal 70:20 und bevorzugt 70:30 aufweist.
Die Poren im Vergussmaterial entstehen während des Ausschäumens. Das Ausschäumen dient der vorliegenden Erfindung dem gleichmäßigen Auffüllen der Vergussform und verhindert die Bildung von Hohlräumen.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Feldgerät ein Durchflussmessgerät, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind grundsätzlich bekannt. Durch ein Messrohr wird ein Medium geleitet, das eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine magnetfelderzeugende Vorrichtung ist so angebracht, dass sich die Magnetfeldlinien senkrecht zu einer durch die Messrohrachse definierten Längsrichtung orientieren. Als magnetfelderzeugende Vorrichtung eignet sich vorzugsweise eine Sattelspule oder ein Polschuh mit aufgesetzter Spule und Spulenkern. Bei angelegtem Magnetfeld entsteht im Messrohr eine durchflussabhängige Potentialverteilung, die mit zwei an der Innenwand des Messrohres angebrachten Elektroden abgegriffen wird. In der Regel sind diese diametral angeordnet und bilden eine Elektrodenachse, die senkrecht zu den Magnetfeldlinien und der Längsachse des Rohres verläuft. Anhand der gemessenen Messspannung kann, unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte, die Durchflussgeschwindigkeit und, unter Berücksichtigung der Rohrquerschnittsfläche, der Volumendurchfluss des Mediums bestimmt werden. Um das Ableiten der an der ersten und zweiten Elektroden anliegenden Messspannung über das Rohr zu verhindern, wird die Innenwand mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff-Liner ausgekleidet. Das durch eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, beispielsweise einen Elektromagneten, aufgebaute Magnetfeld wird durch einen mittels einer Betriebsschaltung getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch elektrochemische Störungen. Eine Messschaltung liest die an den Elektroden anliegende Spannung aus und gibt die Durchflussgeschwindigkeit und/oder den mittels einer Auswerteschaltung errechneten Volumendurchfluss des Mediums aus. Handelsübliche magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen zusätzlich zu den Elektroden zwei weitere Elektroden auf. Zum einen dient eine optimalerweise am höchsten Punkt im Rohr angebrachte Füllstandsüberwachungselektrode dazu, eine Teilbefüllung des Messrohres zu detektieren, diese Information an den Nutzer weiterzuleiten und/oder den Füllstand bei der Ermittlung des Volumendurchflusses zu berücksichtigen. Desweiteren dient eine Bezugselektrode, die üblicherweise diametral zur Füllstandsüberwachungselektrode angebracht ist, dazu eine ausreichende Erdung des Mediums zu gewährleisten.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Gehäuse einen Adapter mit Anschlüssen oder einen Transmitter, der von dem Vergussmaterial zumindest teilweise umschlossen ist.
Üblicherweise werden Transmitter oder elektronische Anzeige über einen Adapter mit dem Gehäuse verbunden. Daher müssen für Messrohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmesser jeweilige Adapter angefertigt und bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß ist die Vergussform derart geformt, dass der Adapter, insbesondere die Anschlüsse passend mitvergossen werden. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Vergussform auch stellenweise die Form des Adapters annimmt, was dazu führt, dass sich nach dem Vergießen ein Adapter mit ausbildet. Dessen Form hängt von der Form der Vergussform ab und kann somit für die jeweiligen Messrohre angepasst werden. Somit kann auf einen zusätzlichen Adapter verzichtet werden und der Transmitter oder die elektronische Anzeige kann direkt an das erhärtete Vergussmaterial angeschlossen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Topfzeit von mindestens 40 Minuten und bevorzugt von mindestens 30 Minuten aufweist.
Unter Topfzeit versteht man die Verarbeitbarkeitsdauer der reaktiven Komponenten, also die Zeit zwischen dem Mischen der Komponenten und dem Ende ihrer Verarbeitbarkeit. Ist die Topfzeit kurz, reagiert das Material schneller und es kann zu Beschädigungen wie z.B. Ablösung eines Kabels oder eines elektrischen Bauteils führen. Weiterhin hat der Schaum mit einer langen Topfzeit und einer langen Reaktionszeit die Möglichkeit auch jede Hinterschneidung oder jeden Hohlraum zu füllen.
Gemäß einer Ausgestaltung erfüllt das Gehäuse die Anforderungen der IP68 Schutzklasse (Stand 2018).
Die IP-Schutzklasse gibt die Widerstandsfähigkeit des Gehäuses eines Feldgerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser an. Die beiden Zahlen der Schutzklasse haben folgende Bedeutung. Die erste Zahl gibt an, wie resistent das Gehäuse gegen das Eindringen von Fremdkörpern ist. Die zweite Zahl gibt die Dichtheit gegenüber Wasser an. Ein Gehäuse, das die Anforderung der IP68 Schutzklasse (Stand 2018) erfüllt, ist somit staubdicht und gegen dauerhaftes Eintauchen in Wasser geschützt.
Daher ist es von besonderem Vorteil, dass der geschlossenzellige Schaum beim Ausschäumen auch verwinkelte Bereiche zwischen den Messkomponenten und/oder in einem Messelektronikgehäuse ausfüllt, so dass keine Hohlräume entstehen, die entweder direkt eine Dichtheit gegenüber Wasser verhindern oder bereits bei geringem mechanischen Einwirken kollabieren und somit Defekte im Gehäuse erzeugen, was wiederum eine Ursache für das Eindringen von Wasser sein kann.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Dichte von mindestens 0,75 g/cm³ und bevorzugt mindestens 0,85 g/cm³ auf.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Vergussmaterial eine Expansionsrate von weniger als 90%, insbesondere weniger als 85% und bevorzugt weniger als 80% auf.
Die Expansionsrate gibt das Verhältnis zwischen der Dichte des geschlossenzelligen Schaumstoffes nach der Schaumbildung und der Dichte des geschlossenzelligen Schaumstoffes vor der Schaumbildung in Prozent an. Ein Vergussmaterial mit einer Expansionsrate von 50% halbiert seine Dichte bzw. verdoppelt sein Volumen nach der Schaumbildung.
Schaumstoffe mit geringer Expansionsrate weisen einen besonders hohen Volumenanteil an offenzelligen Strukturen auf. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Vergussmaterial eine Expansionsrate von weniger als 80% hat, da es bei der Füllung von Hinterschneidungen in Messkomponenten zu weniger Hohlräumen führt.
Gemäß einer Ausgestaltung führt die durch die Reaktion der Komponenten freiwerdende Reaktionswärme zu einem Temperaturanstieg des Vergussmaterials von kleiner 100°C, insbesondere kleiner 70°C und bevorzugt kleiner 30°C.
Beim Vergießen von Elektronikbauteilen mit miteinander reagierenden und einen Schaumstoff bildenden Komponenten ist es besonders wichtig, dass es durch die freiwerdende Reaktionswärme nicht zu einer Beschädigung der Elektronikbauteile und/oder der Messkomponenten kommt. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn in den Elektronikbauteilen oder in den Messkomponenten Kunststoffteile, beispielsweise in Form von Isolierungen, verbaut sind oder wenn wärmeempfindliche Elektronikbauteile verbaut sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes mit Messkomponenten und einem Gehäuse, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- Anbringen eines Blechteils um das Messrohr, so dass dieses das Messrohr zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil vorzugsweise perforiert ist;
- Verschalen des Blechteils und der Messkomponenten und/oder Elektronikbauteile mit einer Vergussform;
- Aufwärmen der ersten Komponente des Vergussmaterials bei weniger als 32°C, insbesondere bei mindestens 30°C und bevorzugt bei 30°C;
- Mischen der ersten und der zweiten Komponente und optional mindestens einer dritten Komponente des Vergussmaterials;
- Vergießen des Vergussmaterials in die Vergussform;
- Abwarten einer Offenzeit von mindestens 30 Minuten in der sich das Vergussmaterial in der Vergussform ausbreitet;
- Heizen des Vergussmaterials bei einer ersten Heiztemperatur T_H,1 von 30°C ≤ T_H,1 ≤ 33°C und einer Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 75% und bevorzugt kleiner gleich 70% für mindestens 30 Minuten und insbesondere mindestens 1 Stunde;
- Heizen des Vergussmaterials bei einer zweiten Heiztemperatur T_H,2 mit 55°C ≤ T_H,2 ≤ 65°C für mindestens 24 Stunden, insbesondere mindestens 12 Stunden und bevorzugt mindestens 8 Stunden; und
- Entformen des Vergussmaterials von der Vergussform.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen der folgenden Verfahrensschritte:

- Anbringen von Abstandshaltern an das Messrohr;
- Homogenisieren der ersten Komponente des Vergussmaterials.

Bei der Vergussform können idealerweise herkömmlich, beispielsweise aus der DE102012110665A1 bekannte Schalen zurückgegriffen werden. Für ein einfaches Ablösen des Vergussform von dem Vergussmaterial weist die Innenseite der Vergussform eine antiadhesive Oberfläche auf, bzw. besteht die Vergussform aus einem antiadhesiven Material. Besonders vorteilhaft ist eine Beschichtung mit einem Fett oder Teflon. Üblicherweise wird die Vergussform mit Hilfe eines Druckgussverfahrens hergestellt.
Erfindungsgemäß ist die Vergussform mittels einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Verschalung kann beispielsweise aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein, insbesondere wiederverwendbar oder als „verlorene Form“ ausgeführt sein.
Weiterhin weist die Vergussform einen Zulauf auf, damit das aufschäumende Vergussmaterial vereinfacht in die Vergussform eingeführt werden kann. Ein Ablauf verhindert die Bildung eines erhöhten Innendruckes und die damit verbundene Beschädigung der Messkomponenten und/oder Elektronikbauteilen.
Bei der Offenzeit handelt es sich um die Zeit, die abgewartet werden muss, bis sich die Vergussmaterial in der Vergussform ausgebreitet hat.
Komponenten zur Bildung eines Vergussmaterials liegen in der Regel nicht in einem homogenisierten Zustand vor. Für eine ideale Reaktionsbedingung muss die jeweilige Komponente jedoch homogen in dem Vergussmaterial verteilt sein. Nur dann kann die Bildung von Hohlräumen vermieden werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes, in diesem Fall ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät; und
2: zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Ablaufes einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Feldgerätes.

Die 1 zeigt ein Feldgerät, nämlich beispielhaft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) umfassend ein Messrohr (2) zum Führen eines fließfähigen Mediums und ein Gehäuse (3), das durch einen im Wesentlichen massiven Gehäusekörper (4) gebildet ist, und in dem Messkomponten platziert und eingebettet sind. Das Messrohr (2) und der Gehäusekörper (4) sind zweiteilig und in dieser Ausgestaltung aus zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet. Im Gehäusekörper (4) eingebettet sind Messkomponenten, insbesondere die Messelektroden (5), und eine magnetfelderzeugenden Vorrichtung, insbesondere Spule (6), Spulenkern (7), Feldrückführung (8) und Polschuh. Eingebettet und somit fixiert sind auch die Kabel zum Verbinden der Messelektroden mit der Mess- und/oder Auswerteschaltung, und die magnetfelderzeugende Vorrichtung mit der Betriebsschaltung. Die jeweiligen Schaltungen können auch in dem Gehäusekörper eingebettet sein. Die Messelektroden sind in der Wandung des Messrohres gegenüberliegend angeordnet. Außerdem im Gehäusekörper (4) eingebettet ist ein Blechteil (9). Das Blechteil (9) weist in der abgebildeten Ausgestaltung quadratische Löcher (10) auf, die homogen über das gesamte Blechteil (9) verteilt sind. Das Blechteil (9) ist koaxial zum Messrohr angebracht, rohrförmig und umschließt das Messrohr (2) im Querschnitt. Der Gehäusekörper (4) erstreckt sich über das Blechteil (9) und in den Löchern (10). Des Weiteren umschließt der Gehäusekörper (4) nicht nur Spule (6), Spulenkern (7) und Feldrückführung (8) wie dargestellt, sondern auch, wie nicht dargestellt, Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteschaltung, im speziellen Fall, dass diese dazu vorgesehen sind nahe an den Messkomponenten und somit im Gehäuse angeordnet zu werden. Die Schaltungen können in dem Fall zwischen Messrohr und Blechteil angeordnet werden. Die Spulen (6) und die Spulenkerne (7) sind diametral angeordnet. Die Feldrückführung (8) verbindet die beiden dargestellten Spulenkerne (7).
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldgerätes. Im ersten Schritt wird ein perforiertes Blechteil an ein bereits mit Messelektroden, Magnetsystem, Messkomponenten und Elektronikbauteilen versehenes Messrohr montiert. Dies erfolgt durch Aufschieben des rohrförmigen Blechteils oder durch umklammern bzw. umgreifen des Messrohres mit dem Blechteil. In einem zweiten Schritt werden die Messkomponenten, das Blechteil und/oder die Elektronikbauteile des Feldgerätes mit einer Vergussform vorbereitend verschalt. Die erste Komponente des Vergussmaterials muss üblicherweise kühl gelagert werden, daher wird die erste Komponente, der Epoxidharz oder eine der zwei Komponenten des Polyurethans auf 30°C erwärmt. Die erste Komponente wird homogenisiert und dann mit der zweiten Komponente, dem Härter, vermischt. Optional kam der Mischung eine weitere dritte Komponente hinzugefügt werden. Dies kann ein Flammschutzmittel sein zur Erfüllung der Ex-i-(DIN/ISO/IEC 60079-11) Norm (Stand 2018), ein Füllstoff und/oder ein Farbmittel. Diese Mischung wird in einem dritten Schritt in die vorbereitete Vergussform gegossen. Nach einer Offenzeit (Schritt 4) von mindestens 30 Minuten, in der das Vergussmaterial Zeit hat sich in der Vergussform auszubreiten, wird das Vergussmaterial bei einer Heiztemperatur von ca. 32°C und einer möglichst konstant gehaltenen Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 70% für mindestens eine halbe Stunde vorgeheizt. Dem folgt ein zweiter Heitzvorgang bei ca. 60°C für mindestens 8 Stunden. In der Zeit härtet das Vergussmaterial vollends aus, so dass in einem letzten Schritt der Gehäusekörper entschalt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Gehäuse
4: Gehäusekörper
5: Messelektrode
6: Spule
7: Spulenkern
8: Feldrückführung
9: Blechteil
10: Loch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012110665 A1 [0003, 0068]
DE 102014117586 A1 [0004]
DE 102014105569 B3 [0005]
DE 10347878 A1 [0006]
DE 102004057695 B4 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Trinkwasser unser höchstes Gut Auskleidungen von Trinkwasserbehältnissen mit Polyethylen“ Andreas Kunz, GFW Wasser/Abwasser, Mai 2010, S.72-75 [0034]
ISO 868 [0044]
Normen DIN EN ISO 868 [0045]
DIN ISO 7619-1 [0045]
ASTM D2240-00 [0045]
DIN/ISO/IEC 60079-11 [0075]

Claims

Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend: - ein elektrisch isolierendes Messrohr (2) zum Führen eines fließfähigen Mediums; - Messkomponenten zur Ermittlung einer Prozessvariablen des Mediums; und - ein Gehäuse (3), das einen Gehäusekörper (4) aufweist, wobei der Gehäusekörper (4) aus einem Vergussmaterial gebildet ist, wobei das Messrohr (2) in dessen radialer Richtung durch den Gehäusekörper (4) umhüllt ist, wobei die Messkomponenten ganz oder teilweise in dem Gehäusekörper (4) eingebettet sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät weiterhin ein insbesondere zumindest teilweise perforiertes Bleichteil (9) aufweist, welches das Messrohr (2) in dessen radialer Richtung zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil (9) in dem Gehäusekörper (4) eingebettet ist.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei das Blechteil (9) koaxial zum Messrohr (2) angebracht ist, wobei das Blechteil (9) dazu ausgebildet ist, Querschnittsverformungen, insbesondere Ausdehnungen des Messrohres (2) entgegenzuwirken, die durch das Medium verursacht werden.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei das Blechteil (9) aus 1.0037 Stahl gefertigt ist, wobei das Blechteil (9) aus einem Elektroblech gefertigt ist, wobei das Blechteil (9) koaxial zum Messrohr (2) angebracht ist, wobei das Blechteil (9) die Messkomponenten zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil (9) dazu ausgebildet ist die eingebetteten Messkomponenten von externen Magnetfeldern abzuschirmen.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blechteil (9) durch Abstandshalter vom Messrohr (2) beabstandet ist, wobei die Abstandshalter aus einem Elastomer gefertigt sind.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blechteil (9) eine Dicke von mindestens 1 Millimeter, insbesondere von mindestens 2 Millimeter und bevorzugt von mindestens 4 Millimeter aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messrohr (2) ein Kunststoffrohr, insbesondere ein Polyethylen Rohr umfasst.
Feldgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Blechteil (9) einen Lochanteil von mindestens 10%, insbesondere von maximal 25% und bevorzugt von 20% aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial ein geschlossenzelliger Schaumstoff ist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial eine Shore-Härte von mindestens 85D, insbesonderen von mindestens 70D und bevorzugt von mindestens 60D (nach ISO 868 (Stand 2018)) aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial mindestens eine erste und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Epoxidharz ist, wobei die zweite Komponente ein Härter ist, wobei das Vergussmaterial ein Verhältnis der ersten Komponente zur zweiten Komponente von mindestens 100:25, maximal 100:15 und bevorzugt 100:20 aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergussmaterial ein Polyurethan umfasst.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschlossenzellige Schaum vorwiegend zwei Porengrößen aufweist, wobei die erste Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₁ umfasst, wobei die zweite Porengröße Poren mit einem Durchmesser d₂ umfasst, wobei 200 µm ≤ d₁ ≤ 250 µm und 20 µm ≤ d₂ ≤ 50 µm gilt, wobei das Vergussmaterial ein Porenverhältnis der Poren mit der zweiten Porengröße zu den Poren mit der ersten Porengröße von mindestens 70:40, maximal 70:20 und bevorzugt 70:30 aufweist.
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Durchflussmessgerät umfasst, insbesondere ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1).
Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (3) einen Adapter mit Anschlüssen oder einen Transmitter umfasst, der von dem Vergussmaterial zumindest teilweise umschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Feldgerätes mit Messkomponenten und einem Gehäuse (3), insbesondere eines Feldgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Anbringen eines Blechteils (9) um das Messrohr (2), so dass dieses das Messrohr (2) zumindest teilweise umgreift, wobei das Blechteil (9) vorzugsweise perforiert ist; - Verschalen des Blechteils (9) und der Messkomponenten und/oder Elektronikbauteile mit einer Vergussform; - Aufwärmen der ersten Komponente des Vergussmaterials bei weniger als 32°C, insbesondere bei mindestens 30°C und bevorzugt bei 30°C; - Mischen der ersten und der zweiten Komponente und optional mindestens einer dritten Komponente des Vergussmaterials; - Vergießen des Vergussmaterials in die Vergussform; - Abwarten einer Offenzeit von mindestens 30 Minuten in der sich das Vergussmaterial in der Vergussform ausbreitet; - Heizen des Vergussmaterials bei einer ersten Heiztemperatur T_H,1 von 30°C ≤ T_H,1 ≤ 33°C und einer Luftfeuchtigkeit von kleiner gleich 75% und bevorzugt kleiner gleich 70% für mindestens 30 Minuten und insbesondere mindestens 1 Stunde; - Heizen des Vergussmaterials bei einer zweiten Heiztemperatur T_H,2 mit 55°C ≤ T_H,2 ≤ 65°C für mindestens 24 Stunden, insbesondere mindestens 12 Stunden und bevorzugt mindestens 8 Stunden; und - Entformen des Vergussmaterials von der Vergussform.